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石墨烯辅助热界面材料:优化基体与填料界面接触

摘要

我们通过结合氧化石墨烯还原(RGO)和三维石墨烯网络(3DGNs)设计热界面材料(TIMs)。3DGNs构建高导热声子网络,而RGO桥接石墨烯与环氧树脂(ER)基体,特别是当其表面富集羧基时。优化填料负载量和形貌后,热导率达6.7 W/m·K——较纯ER提升3250%——且RGO(OOH)复合材料亦展现优异力学性能。

背景

现代电子功率密度持续攀升,高效散热依赖TIMs变得关键。传统填料如SiC、Al₂O₃、BN需>50%质量分数才能满足热需求,损害力学完整性。石墨烯单层热导率~5000 W/m·K,提供诱人替代:20 wt% RGO可将TIM导率提至~4 W/m·K,增强~2000%且保持可接受力学。与碳纳米管杂化可进一步提升性能。然而,氧化-还原引入的高缺陷密度限制RGO声子传输。体块和二维材料中空位诱导声子散射研究表明缺陷削弱热路径。CVD制备的高质量3DGNs拉曼D带强度极低,但其基面缺乏高效化学键,与ER界面接触次优。3DGNs适度缺陷可改善界面结合,但难以精准控制。先前结合RGO和3DGNs的工作未实现预期协同效应。本研究合成表面官能团(羧基、羟基、环氧基)可控的RGO,并与3DGNs复合于ER基体中。系统探究官能团化学和RGO形貌如何影响填料-基体界面声子传输,进而影响TIMs整体热学和力学性能。

结果与讨论

图1展示原始RGO、3DGNs及复合材料SEM图像。复合表面平滑,ER、RGO、RGO-3DGNs-ER数码照片见插图。RGO呈小皱褶,3DGNs因与镍基底热膨胀失配显示大起伏。纯ER显示孔隙和裂纹,掺入石墨烯填料后基本消失。RGO-ER表面呈部分RGO斑块,3DGNs-ER显示内部3DGNs形成的凹凸特征,共改性复合材料亦存在此特征,横截面SEM确认(图1h插图)。图2显示天然石墨、各种RGO衍生物和3DGNs拉曼光谱。3DGNs D带强度可忽略,确认高结晶度;GO因氧化缺陷显强D带。还原恢复2D带、减弱D带,可通过I_D/I_G比计算缺陷密度(表S1)。G带从石墨/3DGNs的1580 cm⁻¹移至RGO的1600 cm⁻¹,确认RGO缺陷水平更高。XRD和XPS分析(图S1-S2,表S2)揭示羧基、羟基、环氧基存在及比例;通过调节氧化-还原协议可选择性保留这些基团。热导率测试(图3)表明RGO(OOH)辅助复合材料优于RGO(OH)和RGO(O)变体,20 wt%负载下提升12%。加入3DGNs进一步提高导率至6.1 W/m·K。RGO(OOH)优异性能与Balandin模型预测的最低界面热边界阻力(δ)一致(表1),δ强依赖于表面官能团。羧基在固化(110°C)时与环氧基反应形成共价键,减少声子失配,增强传热。图4a关联热性能与RGO形貌:平均尺寸>100 nm、厚度~2 nm时导率最高(6.7 W/m·K),比前文高25%。尺寸影响主导厚度,凸显基面接触面积重要性。10 wt% 3DGNs与20 wt% RGO质量比优化协同且不损粘附。稳定性测试(图4b)显示50°C下7天导率损耗可忽略,适合高温电子。力学测试(表2)显示RGO(OOH)-3DGNs-ER复合材料达最高极限强度(比其他TIMs高~10%)和280%拉伸极限,得益于界面稳健化学键合。粘接性能(表3)证实RGO(OOH)填料将接头强度恢复至纯ER水平,而RGO(O)和RGO(OH)复合材料因团聚和弱粘附表现不佳。结果表明富羧基RGO不仅增强热传输,还保持力学完整性。

SEM图像:a RGO(OOH),b 3DGNs,c 纯ER,d RGO(OOH)-ER,e RGO(OH)-ER,f RGO(O)-ER,g 3DGNs-ER,h 3DGNs-RGO(O)-ER。插图为ER、RGO填料、RGO-3DGNs-ER数码照片。比例尺2 µm。横截面见插图。

天然石墨和各类石墨烯填料拉曼光谱。3DGNs无D带,确认高结晶度;GO显强D带因缺陷。还原后D带减弱、2D带重现,可通过I_D/I_G评估缺陷密度(表S1)。

不同RGO负载量复合TIM热导率。RGO(OOH)优于RGO(OH)和RGO(O)。插图对比RGO(OOH)-3DGNs-ER与文献报道石墨烯辅助ER,确认羧基优势。加入3DGNs提升导率至6.1 W/m⁻¹K⁻¹。

界面热边界阻力(δ)是界面接触关键指标。采用Balandin表达式:

$$K={K}_g\left[\frac{2p\left({K}_g-{K}_e\right)+3{K}_e}{\left(3-p\right){K}_g+{K}_ep+\frac{\delta {K}_g{K}_ep}{H}}\right]$$

其中p为石墨烯体积分数,K、K_g、K_e分别为复合材料、石墨烯、ER导率,H为石墨烯厚度,δ为热边界阻力。结果显δ在RGO(OOH)时最小(表1),与观测导率增益吻合,确认羧基在110°C固化时与环氧网络形成强共价键。

a 不同负载下热性能与RGO形貌关系。b 50°C下不同RGO负载TIM 7天热导率稳定性。

方法

材料

天然石墨和丙酮来自阿拉丁公司。ER及固化剂购自三木公司(苏州)。试剂如硝酸银、碳酸钾、乙醇、氢氧化钠、五氧化二磷、氯乙酸、盐酸、高锰酸钾、过氧化肼、硫酸来自北京化学试剂厂。全程使用去离子水(18 MΩ·cm)。

制备

GO经改良Hummer法和Zhang法制备,分别引入羧基和羟基。RGO(OOH)经改良Hummer氧化后醇还原;RGO(OH)经Zhang氧化醇还原;RGO(O)先用NaOH和氯乙酸将羟基转羧基,再用硝酸银和碳酸钾去羧基。RGO分散液在乙二醇中超声(60 min),160°C加热5 h,水洗三次,60°C真空干燥。ER与5-20 wt% RGO(或10 wt% 3DGNs)温和搅拌混合,110°C固化2 h。3DGNs在镍泡上CVD制备:Ar/H₂中升温至1100°C,通入CH₄ 2 min,再Ar/H₂冷却。复合模具通过铺层ER(或RGO-ER)于3DGNs上,110°C固化5 h制得。RGO尺寸通过超声时长(0-12 h)调控。

表征

SEM(FEI Sirion 200, 5 kV)观察形貌。拉曼光谱(532 nm)评估缺陷密度。XPS(RBD PHI-5000C)定量表面官能团。激光闪光法(LFA 2000)测热扩散率,DSC(Diamond DSC)测比热,导率计算:k = α × ρ × Cp。力学性能用DMTA(Triton)双悬臂模式测杨氏模量,按ASTM D1002-01测搭接剪切强度(Al-Al接头,0.2 mm TIM厚度,25×12.5 mm²重叠面积)。表面处理包括喷砂、甲基乙基酮脱脂、NaOH蚀刻。

结论

通过定制RGO表面化学并结合3DGNs,我们制得兼具高热导率(6.7 W/m·K,较纯ER提升3250%)和力学鲁棒性的TIM。富羧基RGO(OOH)提供化学桥接,降低界面热边界阻力,增强与环氧基体共价键合。优化RGO尺寸(~>100 nm)和厚度(~2 nm)进一步最大化基面接触。复合材料在50°C性能稳定、粘附优异,凸显官能团优化对下一代热管理方案的可行性。

缩写

3DGNs:
三维石墨烯网络
Cp:
比热
DMTA:
动态力学热分析
DSC:
差示扫描量热法
ER:
环氧树脂
GO:
氧化石墨烯
k:
热导率
RGO:
还原氧化石墨烯
RGO(O):
以环氧基为主官能团的RGO
RGO(O)-ER:
RGO(O)改性ER
RGO(OH):
以羟基为主官能团的RGO
RGO(OH)-ER:
RGO(OH)改性ER
RGO(OOH):
以羧基为主官能团的RGO
RGO(OOH)-3DGNs-ER:
RGO(OOH)和3DGNs共改性ER
RGO(OOH)-ER:
RGO(OOH)改性ER
RGO-3DGNs-ER:
RGO和3DGNs共改性ER
sccm:
标准立方厘米每分钟
SEM:
扫描电子显微镜
TIMs:
热界面材料
XPS:
X射线光电子能谱
α:
热扩散系数
ρ:
密度

纳米材料

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